3.8 MMC的均压均流控制在线视频

MMC的瞬时能量

存储于悬浮的独立电容之中

任一时刻每相有N的模块串联接入直流母线

从而实现交流侧和直流侧的能量传递

但投入的电容有的处于充电状态

有的处于放电状态

势必造成单元电容电压不均衡

进而在并联的桥臂间产生环流

增加器件负担及运行损耗

甚至造成过流过热而损坏换流器

因此均压均流控制是MMC应用中

不可回避的关键技术问题

首先分析子模块电容电压波动及环流产生的原因

MMC之所以可以输出不同电平

是因为选择投入的子模块是在变化的

如上桥臂的4个模块投入

输出-2电平

中间四个模块投入则输出0电平

下桥臂四个模块投入则输出2电平

因此

同一相的子模块

可能工作在充电、放电、切除三种不同状态

在调制过程中子模块是轮换投入的

因此

如图所示

子模块悬浮的电容电压会出现低频波动

而且不同子模块电容电压

因工作情况不尽相同而出现不均衡

图中为子模块电容电压和电流的波形

从图中不难看到

子模块电容电流变化规律基本与电压一致

负值为放电过程

正值为充电过程

引起电流波动的根本原因也

在于子模块工作状态的不断切换

子模块电容电压波动及不均衡

是MMC运行过程无法避免的

如果不加以控制

会造成的危害主要有

（1）电容电压波动可能会导致电容长时间

工作在过电压状态

降低电容的使用寿命

（2）使交流侧输出电压出现偏差

增大输出波形中的谐波含量

（3）生成相间环流

增大器件的负担和损耗

降低直流系统运行的可靠性

因此在控制总直流电压的同时

也需要对各个子模块电容电压进行均衡控制

除了电压波动

MMC还存在环流问题

虽然任一时刻

同一相上下两个桥臂

开通的子模块数量之和相同为N

从直流侧看

每相接入直流侧的模块数相同

但是子模块电压的波动和不均衡

会造成并入直流母线的各相总电压并不相同

因而在并联的三相支路间形成了环流

同一相上所有子模块

不可能同时工作在同一种状态

所以同一时刻桥臂子模块电容电压

也不完全相等

因此上、下桥臂各自的电压也必然不完全相同

于是在上下桥臂之间会产生电压差

这个电压差在桥臂上最终形成电流

这个电流不会从桥臂流出到相电流

同时

由于同一时刻三相电压也不完全相同

因此这个电流会不断从电压较高的相

流向电压较低的相

最终在两相之间形成环流

MMC的直流母线上存在低频的电压和功率脉动

环流叠加在桥臂上

提高了器件的容量

增加了损耗

从A相等效电路图中我们可以得到

相电流和各桥臂电流之间的关系

以及各桥臂电流和环流间的关系

将上桥臂电流与下桥臂电流相加

即可得到环流的表达式

环流含有基波和2、4、6等偶数次谐波分量

其中二次谐波含量最高

其幅度与MMC的有功功率成正比

环流对于MMC运行也是有一定危害的

其一是导致MMC损耗增大

降低开关管的使用寿命

其二是导致MMC交流侧电流

奇数次谐波含量增加

其中3次谐波含量最高

与环流中2次谐波的含量成正比

当输出交流电流含有较多谐波时

电流质量会明显变差

直流系统运行的可靠性也会降低

为了降低子模块电容电压波动的幅度

可以通过适当增加电容值的方法抑制波动

但是电容太大

会导致MMC装置的体积和成本增加

经济性变差

因此在控制算法上需采取一定的均压手段

下面介绍两种较为常用的均压控制算法

首先是采用NLM调制的MMC

通过子模块电压排序及轮换的方法实现均压

在NLM调制中

每当输出电平改变的时候

投入的子模块都会根据新的排序进行轮换

以确保电容电压在一定范围内波动而不越限

当MMC采用载波移相PWM调制时

无法对子模块根据电容电压大小

及充放电状态进行轮换

只能在调制信号上附加均压控制环节

以A相为例

图中给出了一种简单的附加均压控制环节

通过比较各模块电容电压的实测值与其参考电压值

结合该子模块所处桥臂电流的流通方向

共同决定该子模块的附加调节电压

当桥臂电流为正

且子模块额定参考电压高于电容电压实测值时

则MMC电容电压均衡控制调节量为正

调制波的幅值随之增加

该子模块充电时间延长

子模块电容电压上升

当子模块额定参考电压

低于电容电压实测值时

MMC电容电压均衡控制调节量为负

调制波的幅值随之减小

子模块充电时间减少

降低了电容电压上升的幅度

在桥臂电流为负的情况下分析过程类似

当额定值大于实测值时

调节量为负

调制波的幅值随之减小

该子模块放电时间缩短

子模块电容电压降低的幅度减小

当额定值小于实测值

调节量为正

调制波的幅值随之增加

该子模块放电时间延长

该子模块电容电压值减低

由此可知

a相电容电压均衡控制调节量的计算公式

可表示为下面的形式

环流因电压波动和不均衡而引起

因此前面所说的均压控制

对抑制环流都是有好处的

但是仅控制模块电压均衡

还不能完全抑制环流

还需对相直流电压和相环流进一步控制

环流产生的一个因素

是相间直流电压存在差异

因此若三相直流总电压完全相等

则可以消除环流

具体控制流程如图所示

先计算出各桥臂电压参考值

再利用PI控制器使实际电压值不断逼近参考值

同时使用比例谐振控制器

使桥臂电流跟随外环指令变化

实现对环流的抑制

综上

均压和均流控制策略如图所示

图中为对MMC一相上、下桥臂

进行分别控制的控制策略

先用均压和均流环节

分别得到对应的调制波修正值

再叠加到对应桥臂的调制波参考信号中

最终得到对应桥臂的参考调制波信号

采用硬件电路也可抑制环流

前提是采用电容电压均衡控制

其优势在于不需要修改现有的控制策略

桥臂电感本身对环流有一定抑制作用

但仅采用增大桥臂电抗的方式

只是被动的减少环流

不可能完全消除环流

而且还会影响到系统动态响应特性

由于在电容电压均衡状态下

桥臂环流的主要成分为二次谐波

故我们可以针对二次谐波加装滤波器

以实现消除环流的目的

图中为加装滤波装置后A相的拓扑结构

理想情况下

由于参数和结构的对称性

对于交流基频电流

四个电感构成了一个电桥电路

因此滤波电容

对基频电流以及控制方程没有影响

而对于桥臂环流

由于 LC 构成谐振电路

因此在不增加桥臂电感的基础上

实现了对环流的抑制